KR101301990B1 - 합성수지 수지저장벽을 가진 고신뢰성고출력발광다이오드패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 패키지에 대한 것이다. 그 중에서도 1와트(1W) 이상의 고출력이 요구되는 LED패키지로서 빛, 열 및 화학적 신뢰성을 현저히 향상시켜 최종적으로는 25,000시간까지 광속유지율을 70% 이상으로 성능을 유지하는 LED패키지의 제작을 목표로 하는 기술에 관한 것이다.
이에 더하여 본 발명은 상기와 같은 고출력이면서 높은 성능안전성을 가지면서도 세라믹 대신 합성수지를 실리콘 수지 등 봉지재를 담는 수지저장벽 및 리드프레임의 절연부로 사용하는 제품에 관한 것이며, 특히 상기 합성수지는 내열성은 좋지만 반사율이 낮아 그간 LED패키지의 수지저장벽으로서는 거의 사용되지 않던 LCP(Liquid Crystal Polymer)를 사용하는 것을 특징으로 하는 기술에 관한 것이다.

Description

합성수지 수지저장벽을 가진 고신뢰성고출력발광다이오드패키지 및 그 제조방법{High reliable and high power LED pacage with plastic wall and the production method}

본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 패키지에 대한 것이다. 그 중에서도 1와트(1W) 이상의 고출력이 요구되는 LED패키지로서 빛, 열 및 화학적 신뢰성을 현저히 향상시켜 최종적으로는 25,000시간까지 광속유지율을 70% 이상으로 성능을 유지하는 LED패키지의 제작을 목표로 하는 기술에 관한 것이다.

이에 더하여 본 발명은 상기와 같은 고출력이면서 높은 성능안전성을 가지면서도 세라믹 대신 합성수지를 실리콘 수지 등 봉지재를 담는 수지저장벽 및 리드프레임의 절연부로 사용하는 제품에 관한 것이며, 특히 상기 합성수지는 내열성은 좋지만 반사율이 낮아 그간 LED패키지의 수지저장벽으로서는 거의 사용되지 않던 LCP(Liquid Crystal Polymer)를 사용하는 것을 특징으로 하는 기술에 관한 것이다.

LED 패키지는 기본적으로 LED 칩, LED 칩이 탑재되는 기판, 리드 및 LED 칩과 리드를 전기적으로 연결하는 와이어 및 이러한 구성 요소들을 합성수지로서 엔캡슐레이션(encapsulation)하는 몰딩 바디(molding body)를 포함하여 구성된다. 통상 LED패키지에 있어서 수지저장벽과 리드프레임의 절연부, 그들을 연결하는 합성수지부분(고출력 LED패키지의 경우 세라믹을 사용하는 경우가 많은데 이 경우는 세라믹)을 합쳐 “몰딩바디”라고 한다. 이 몰딩바디는 LED 패키지의 구조적인 튼튼함을 유지시킬 수 있도록 적어도 외적으로는 강건한 특성을 가지고 있어야 한다고 알려져 있다. 그러나 이 몰딩바디는 LED로부터 나오는 빛과 열의 영향을 가장 많이 받는 것으로 LED패키지의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다.

또한 본 발명은 LED패키지의 구조와 관련한 것으로, 특히 몰딩 바디, 그 중에서도 수지저장벽의 형상과 구조, 아울러 LED칩 위에 형성되는 형광수지와 그 위에 형성되는 수지렌즈의 형상에 관한 것이다.

일반적으로 발광 다이오드 즉, LED(Light Emitting Diode)는 전류가 흐를 때 빛을 내는 반도체 발광소자로 GaAs, GaN 광반도체로 이루어진 PN 접합 다이오드(junction diode)로 전기에너지를 빛에너지로 바꾸어 주는 역할을 한다.

이러한 LED로부터 나오는 빛의 영역은 레드(630nm~700nm)로부터 블루-바이올렛(400nm)까지로 블루, 그린 및 화이트까지도 포함하고 있으며, 상기 LED는 백열전구와 형광등과 같은 기존의 광원에 비해 저전력소비, 고효율, 장시간 동작 수명 등의 장점을 가지고 있다. 그리고 최근 LED패키지는 모바일 단말기의 소형조명에서 실내외의 일반조명, 자동차 조명, 대형 LCD(Liquid Crystal Display)용 백라이트(Backlight)로 그 적용범위가 점차 확대되어 가고 있다. 이에 따라 종전의 소형 저출력 위주의 LED패키지는 물론 최근에는 고출력 LED패키지도 그 시장 수요가 급격히 확대되는 추세에 있다.

그러나 고출력 LED패키지를 구현하는 것은 LED칩이 가지는 고유의 특성으로 인하여 당업계에서는 아주 난이도가 높은 기술로 인식되고 있고 이를 위해 수많은 연구가 이루어져 왔었다.

여기서 말하는 고출력 LED 패키지는 정격 전류가 수백mA에서 심지어는 1A이상에서 작동되는 LED 패키지로서, 정격 전류가 20mA 정도인 일반적인 LED 소자에 비하여 많은 전력을 소모한다.

고출력은 상대적인 용어로서 본 발명에서도 본 발명만의 정의가 필요할 것으로 생각하여 정의하고자 한다.

본 발명에서 고출력이라 함은 통상 사용전류가 LED소모전력 기준 200mA/600mW 이상인 경우를 지칭한다. 이 범주에는 일반적으로 시중에서 고출력이라고 말하는 350mA/1W 이상인 경우도 당연히 포함한다.

기존에도 고출력 LED 패키지는 있었다. 기존의 고출력 LED 패키지는 리드프레임의 절연물을 모두 세라믹으로 소성하여 장착한 것을 사용하고 있다. 그리고 어떤 형상을 제작함에 있어서 합성수지를 사출하여 제작하는 것과 세라믹으로 소성하여 제작하는 것은 그 난이도에 있어서 세라믹을 소성하는 것이 훨씬 더 힘들므로 일반적으로 수지저장벽은 존재하지 않는다. 또한 LED칩 위에 위치하는 실리콘이나 렌즈는 모두 별도 성형하여 접착수지에 의해 접착하는 등의 방법으로 만들어진다.

어쨌든 세라믹 절연물을 사용한 LED패키지는 소성하여 만들어진 세라믹절연물의 높은 열안정성으로 인해 고출력 LED패키지를 제작할 수 있었다.
이러한 세라믹 절연물을 사용한 LED패키지가 등록특허 제10-0788931호(명칭:전자부품패키지)와 공개특허 10-2011-0080548호(명칭:발광장치)에 개시되어 있다.

하지만 세라믹절연물에 의한 LED패키지는 제작과정이나 경제성에서 많은 치명적인 결함을 가지고 있는데, 그 내용을 살펴보면 다음과 같다.

첫째 일일이 소성과정을 거쳐야 하므로 제작에 시간이 많이 걸리고 비용도 몰딩바디를 합성수지로 제작하는 경우와는 비교할 수 없을 정도로 높은 비용이 소요된다.

둘째 다수의 LED패키지를 제조한 뒤 이를 나눌 때 리드프레임의 세라믹 부분으로부터 절단과정에서 미세 부스러기가 발생하여 제품의 불량 원인이 되기도 한다.

셋째 LED 칩 상단에 형성되는 형광수지나 실리콘 렌즈부분을 별도 성형 후 조립하는 과정을 거쳐야 하므로 자동화 과정도 어려울 뿐만 아니라 생산성도 현저히 떨어지게 된다.

이와 같은 이유들이 조명부문 등에 엄청난 잠재적인 고출력 LED 패키지의 수요가 있으면서도 실제로 제한적으로 생산되어 제한적인 용도에 한해 고출력LED패키지가 적용되는 까닭이다.

또 다른 경우로 금속판 접시 위에 LED칩을 배치하고 LED패키지의 크기를 훨씬 크게 하여 고출력LED패키지를 만드는 방법이 시도되기도 했다. 이 경우 합성수지를 방사되는 빛으로부터 노출되게 하지 않고 금속의 높은 반사율을 이용하는 장점이 있으나 근본적으로 높은 열전도도를 가지 금속판을 사용함으로써 야기되는 많은 문제점을 피하기 어렵고 특히 패키지의 크기를 크게 할 수 밖에 없는 등의 문제로 인하여 시험 수준으로 생산되다가 현재는 생산이 중단되었다. 예를 들어 LED패키지의 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)를 2배로 한다면 면적은 4배가 되지만 부피는 8배가 되어 훨씬 고출력에서도 잘 견디게 된다. 그러나 이는 진정한 LED고출력 패키지를 발명한 것이 아니다. 실질적으로도 양자는 동일한 고출력이라고 해도 전혀 다른 개념의 제품이라고 할 수 있다. 본 발명에서는 일반적으로 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)이 2mm 이하인 제품을 전제로 하고 있다.

본 발명은 수지저장벽과 리드프레임의 절연부 등 몰딩바디로 합성수지 사출물을 사용할 수 있도록 하여 제작이 용이하면서도 가격도 저렴하여 대량으로 생산 배포가 가능한 전혀 새로운 개념의 고출력LED패키지의 생산을 목표로 하고 있다.

그에 더하여 창작된 고출력LED패키지가 미국 등 선진국에서 제정한 최고 안정성 기준에도 적합한 “고신뢰성 고출력 LED패키지”를 제작하는 것이다.

본 발명에서 “고신뢰성”이라는 의미는 적어도 4000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것으로 정의되고, 바람직하기는 5000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것이고, 가장 바람직하기는 미국의 “에너지스타인증기준”에 부합하는 6000시간에서 광속유지율이 91.8% 이상인 것이다.

그리하여 조명부문에 절실히 요구되는 고신뢰성고출력LED패키지를 값싸게 대량으로 공급할 수 있도록 하기 위함이다.

본 발명을 처음 시작하는 시점에서 본 발명의 목표는 대단히 황당하고 논리적이지 않은 것으로 생각되었으나 초기의 아이디어에서 실제 실험을 통하여 개선되는 결과를 얻었으며, 끊임없는 연구과정과 수많은 실험을 통해 실제로 수명이 증가되는 결과들을 얻었고, 이러한 결과를 바탕으로 새로운 개념들을 창작하여 저비용, 고출력, 고신뢰성을 이룰 수 있었다.

본 발명이 추구하는 최종적인 개념을 “①수지저장벽 및 리드프레임의 절연부를 합성수지의 일종인 LCP로 하여 사출성형을 통해 제작이 가능하게 하고, ② 실리콘 봉지제를 디스펜스방식으로 형성하여 제품생산의 자동화가 가능하게 하며, 그러면서도 ③LED소모전력 기준 200mA/600mW 이상, 바람직하게는 1W 이상의 전력사용이 가능한 고출력으로 하되, ④적어도 4000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것으로 정의되고, 바람직하기는 5000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것이고, 가장 바람직하기는 6000시간에서 광속유지율이 91.8% 이상인 것을 특징으로 하는 “고신뢰성고출력LED패키지”를 발명하는 것이다.

이를 위해 발명한 혁신적 개념으로 수지저장벽의 높이를 현저히 낮추어 LED칩에서 방사되는 빛을 거의 수지저장벽에는 닿지 않도록 한다는 것이다.

그와 동시에 적용해야할 또 다른 발명한 혁신적 개념은 봉지재를 반구형 렌즈형태로 디스펜스방식에 의해 형성한다는 것이고 이를 위해“표면장력과 적절한 점도를 이용”하여 그렇게 해야겠다는 착상을 하였다는 점이다.

또 다른 적용개념은 수많은 합성수지 중 궁극적으로 LCP를 가장 적용 가능성이 큰 것으로 판단하였다는 점이다.

첫째는 본 발명에 의해 생산되는 제품은 LED소모전력 기준 200mA/600mW 이상, 바람직하게는 1W 이상의 전력사용이 가능한 고출력 LED패키지이면서 그 신뢰성 또한 선진국의 최고수준을 동시에 만족하는 제품이다.

둘째는 그러면서도 리드프레임의 절연물이나 수지방어벽은 간단하게 사출성형이 가능한 합성수지를 사용할 수 있어서 상당한 가격인하 및 양산체제를 용이하게 한다.

셋째는 그리고 생산과정이 자동화되어 대량생산이 용이하도록 LED칩 봉지재 등으로 사용되는 실리콘이 별도 성형제작 후 부착하는 방식이 아닌 디스펜스 방식의 적용이 가능하다. 이 부분은 대단히 중요한 특징으로서 LED 패키지의 낮은 생산효율이나 불량률, 원가상승이 이 문제와 결부되어 있기 때문이다.

도 1 종래 세라믹기판을 이용한 고출력 LED패키지
도 2 성형렌즈부를 생산하는 공정 예시
도 3 LED패키지에 사용되는 합성수지별 반사율 비교
도 4 J형 플라스틱 LED패키지 구조
도 5 Slug형플라스틱LED패키지
도 6 표면장력을 이용한 디스펜스 방식의 본 발명의 여러 가지 실시예
도 7 렌즈 방어벽 등을 보유한 본 발명의 또다른 실시예
도 8 형광수지부를 포함하는 본 발명의 또다른 실시예

본 발명의 구체적 내용을 살펴보면, 아래에 열거한 여러 가지를 동시에 만족하는 고신뢰성고출력LED패키지를 만드는 것이다.

첫째는 LED소모전력 기준 200mA/600mW 이상, 바람직하게는 1W 이상의 전력사용이 가능한 고출력 LED패키지이면서 그 신뢰성 또한 선진국의 최고수준을 동시에 만족하는 제품일 것을 요구하고 있다.

둘째는 그러면서도 리드프레임의 절연물이나 수지방어벽은 간단하게 사출성형이 가능한 합성수지일 것을 요구하고 있다. 본 발명에서“사출성형”이라 함은 일반적으로 그 명칭을 달리 쓰고 있다고 해도 금형을 이용하여 합성수지를 성형하는 모든 방식을 포괄하는 것으로 한다.

셋째는 그리고 생산과정이 자동화되어 대량생산이 용이하도록 LED칩 봉지재 등으로 사용되는 실리콘이 별도 성형제작 후 부착하는 방식이 아닌 디스펜스 방식으로 적용될 수 있어야 한다. 이 부분은 대단히 중요한 특징으로서 LED 패키지의 낮은 생산효율이나 불량률, 원가상승이 이 문제와 결부되어 있기 때문이다. 결론적으로 이 측면을 해결하기 위하여 수지저장벽의 존재를 필수적으로 채택하지 않을 수 없도록 했고 수지저장벽을 합성수지로 만들면서도 고신뢰성 고출력LED패키지를 만들어야 한다는 모순되는 점들을 해결하기 위해 많은 착상과 시간, 반복시험을 불가피하게 했다.

위 3가지를 동시에 만족하는 LED패키지는 본 발명 과정 내내 종래기술을 기준으로 보면 너무도 혁신적이며 모순되는 개념처럼 보이는 주장이어서 당업계에서는 결코 받아들이지 않았었다.

가장 큰 문제는 LED패키지 내부를 고출력의 전기가 통과함으로써 발생하는 높은 열로 인하여 수지저장벽이나 절연부가 합성수지로 제작되는 한 종래 LED패키지 효율의 가장 중요한 요소 중의 하나인 수지저장벽의 반사율을 장시간 유지할 수는 도저히 없다는 것이었다.

이러한 주장은 발명 당시 일반적인 LED패키지를 보면 당연한 주장이었다.

이를 알아보기 위해 몇 가지의 패키지 구조가 도면에 나타나 있다. 도면 4는 J형 플라스틱 LED패키지 구조이고, 도 5는 Slug형플라스틱LED패키지이다.

도 4와 도 5의 수지저장벽으로 사용되는 수지들은 주로PPA(polyphthalamide)와 폴리아미드계 수지인 PA9T 등이 사용되고 있다. 이러한 수지들은 절대적으로 높은 반사율 때문에 사용되고 있고, 또한 반사율을 높이기 위해 사용되는 합성수지의 물성을 개선하는 다양한 노력이 이루어졌다. 그 이유는 2가지로 나눌 수 있다. 첫째 도 4와 도 5의 구조를 보면 많은 빛들이 수지저장벽에 부딪치게 되므로 만일 반사율이 낮으면 방사된 빛의 많은 양이 열로 전환되어 전체적인 LED의 효율이 떨어지게 되고, 둘째 그 전환된 열로 인해 LED의 수명도 저하시키고 몰딩수지 자체의 기능도 현저히 저하시키기 때문이다. 특히 가장 보편적으로 사용되는 도 4와 도 5의 LED패키지의 경우 실리콘 수지 표면이 수지저장벽의 높이와 유사한 평면임을 고려하면 LED칩에서 방사되는 많은 빛들이 그 실리콘 수지 표면에 의해 전반사 일어날 것이고 그로 인해 수지저장벽에 부딪히는 빛의 양도 훨씬 많다고 볼 수 있다. 그러므로 수지저장벽용으로 사용되는 합성수지의 반사율은 LED패키지의 효율과 직결된 가장 중요하게 고려해야할 사항이었다.

그러나 PPA와 PA9T 등과 같은 합성수지는 그 자체가 빛의 반사율이 우수한 좋은 엔지니어링플라스틱이기는 하지만 고신뢰성고출력LED패키지에 사용되기에는 적합하지 않았다. 왜냐하면 낮은 열적 안정성으로 인해 PPA와 PA9T 등과 같은 합성수지를 사용한 도 4와 도 5의 LED패키지의 경우 고출력의 전기를 통과시킬 경우 발생하는 높은 열로 인해 비교적 짧은 시간 내에 수지저장벽 등의 표면에 탄화 현상이 발생하여 반사율이 급격히 떨어지고 궁극적으로는 반사기능 자체가 거의 없어질 뿐만 아니라 LED패키지의 수명도 급격히 단축되는 치명적인 현상을 보였다.

이러한 현상 때문에 종래의 고출력LED패키지의 제작방법은 몰딩수지 자체를 세라믹으로 전환하는 것을 전제로 하여 나름대로 특징적인 형태로 발전하였다.

그러나 세라믹을 주축으로 한 LED패키지는 앞에서 살펴본 바와 같이 많은 문제가 있었다. 특히 사출 가능한 합성수지를 사용하여 만드는 LED패키지와는 비교도 되지 않을 만큼 생산성이나 가격에서 문제가 많았다.

그리하여 수많은 합성수지의 적용가능성을 검토하였으며 궁극적으로 LCP를 가장 적용 가능성이 큰 것으로 검토하게 되었다. 먼저 LCP(액정 폴리머: Liquid Crystal Polymer)에 대하여 간단히 살펴 본다. LCP는 용융시의 액정 상태를 나타내는 수지로서, 뛰어난 내열성, 강성, 치수 정밀도, 치수 안정성을 가지고 전자부품이나 접동 부품, 정밀성형 부품 등에 쓰이고 있다. LCP는 간단히 정의하면 가공이 가능한 가소상태나 녹인 상태에서도 그 성분 중 상당부분이 결정의 상태로 존재하는 고분자를 말하는 것이다. 그러한 결정상태를 유지하는 성분은 방향족계의 화합물로서 그 양이 많아지면 내열성이 올라가되 가공성이 떨어지게 된다.

그래서 통상 방향족계 성분의 말단에 산(acid, -COOH)을 가진 단량체를 약 50%와 나머지 약 50%는 알코올기를 가진 방향족계 단량체와 알킬렌계 단량체를 7:3 ~ 3:7로 더하여 중합하여 제작된다.

LCP는 리플로 땜납용 내열용도를 중심으로 채용이 확대되었기 때문에, 열변형 온도를 지표로 하여 형 (250이상), 형(220~250) 및 형 (220이하)의 3종류로 분류되고 있다. 형은 가장 내열성이 뛰어나지만 성형성이 약간 떨어진다. 형은 강도가 높고 내열성과 성형성의 균형이 잡혀 있다. 형 및 형은 모두 SMT (표면설치 기술) 대응에 가능한 LCP 이다. 또한, 형은 내열성이 낮지만 유동성은 우수하다.

그러나 이러한 LCP는 종래기술을 기준으로 볼 때 수지저장벽으로 사용할 수 없는 지명적인 결함을 가지고 있었다.

첫째는 반사율 면에서 현저히 저급한 물성 때문이었다. 도3에서 보는 바와 같이 LCP는 초기 반사율에서도 기존 수지가 90% 이상임에 비해 80 ~ 90%에 위치하고 있어서 문제이지만 특히 시간이 지나감에 따라 급격히 반사율이 저하되어 75%에서 80% 초반에 위치하는 등의 현상은 근본적인 문제가 되었다.

따라서 LCP를 기존의 LED패키지에 적용할 경우 비록 LCP가 내열성이 우수하다고는 하나 낮은 반사율로 인해 더 많은 빛이 빛으로 활용되지 못하고 더 많은 열로 전환되게 함으로써 LCP의 내열성을 무색하게 하고, 특히 고신뢰성을 지향하는 본 발명에서는 가장 바람직하지 않은 소재로 취급되기도 하였다.

둘째는 LCP가 내열성이 우수하다고는 하나 세라믹과는 비교가 되지 않을 정도로 상대적으로 열위하며 어쨌든 합성수지로서의 열과 빛에 영향을 상당히 받을 수밖에 없다는 점에서 고출력LED제품의 안정성을 확보해주기에는 적합하지 아니한 것으로 취급되었으며, 더욱이 고신뢰성LED패키지를 만드는 것은 당시로서는 전혀 개념이 맞지 않는 것이었다.

그럼에도 불구하고 합성수지를 몰딩바디로 사용하는 고신뢰성고출력LED패키지를 만드는 것으로 방향을 정하고 모든 가능성을 점검하기 시작했다.

수지 종류에 따라 신뢰성 정도를 알아보기 위하여 PPA(S사 WH118), PA9T(1)(K사 TA112), PA9T(2)(K사 TA113), LCP(S사)를 비교 시험하였다. LED는 5.6mm x 2.0mm의 크기이고, 변색을 잘 볼 수 있도록 형광체를 섞지 않고 투명 실리콘만 몰딩을 하였다. 이 때 시험 조건은 외부 환경을 고온 70℃, 85℃와 고온고습 85℃, 85% 조건과 시험 전류 120mA/200mA로 실시하였다. 336시간이 지난 후 각각의 조건에서 시험 결과를 정리하였고 그 결과는 다음 표 1과 같다.

위와 같이 PPA는 초기 광특성과 광유지율, 변색 등의 신뢰성에 있어서 가장 낮고 좋지 않은 특성을 보였다. PA9T는 초기 광특성에서 가장 우수한 특성을 보였으며, 120mA의 낮은 시험구동전류에서는 신뢰성도 가장 우수한 특성을 나타내었다. 반면 200mA의 높은 시험구동전류에서는 LCP가 가장 우수한 특성을 보였다. 아래는 85℃에서 200mA 시험전류구동 후 336시간이 경과한 후 LED의 사진을 나타내고 있다. 변색이 큰 순서대로 나열하면 PPA > PA9T(1) > PA9T(2) > LCP와 같다.

위 사진에서 보는 바와 같이 PPA의 경우에는 수지 외부 및 내부와 금속 바닥부가 모두 심하게 변색을 하였으며, PA9T(1)의 경우에는 수지 내부와 금속 바닥부가 변색을 하였으며, PA9T(2)의 경우에는 수지내부가 약간 변색되고 금속바닥부도 미세하게 변색되었다. LCP의 경우에는 수지 및 금속바닥부 전체가 거의 변색이 없었다.

상기 여러 실험을 반복적으로 거쳐 내린 결론은 고출력수지저장벽으로 사용하기 위해서는 기존의 PPA나 PA9T를 사용해서는 불가능하다는 생각에 이르게 되었는데 그 이유는 강력한 빛과 열에 의한 탄화현상 때문이다.

결론적으로 LED 조명분야에서는 낮은 반사율 때문에 실질적으로는 거의 배척되고 있는 LCP를 많은 문제는 있지만 사용하는 것으로 연구의 방향을 잡았다.

다음으로 본 발명이 추구하는 또 하나의 기술적 특징인 “고신뢰성”에 대한 개념을 정의하고자 한다.

본 발명에서 “고신뢰성”이라는 개념을 도입하는 이유는 본 발명의 효과가 미래 지향적으로 미래에 표준화되는 제품의 규격에 적합한 제품을 최종 목표로 하기 위해서이다. 그러나 국내에서 LED를 이용하여 일반조명기구로 활용하는 경우는 이제 막 초기단계로 그 표준작업도 시작단계이므로 LED패키지 조명에 대한 특화된 기준이 존재한다기보다는 종래의 조명기구의 표준을 원용하여 논의되고 있는 상황이다.

예를 들어 보통 전구는 100시간 에이징이 기준이 되어, 광속유지율이라는 개념을 적용함에 있어서도 기존 조명의 경우 100시간 에이징 이후 1900시간 켜 둔 다음 100시간 단계에서의 조명과 비교하여 광속유지율을 계산해 내기도 한다.

LED의 경우는 한국의 KS기준은 100시간 에이징에 2000시간 광속유지율을 보는 것으로 하고 있는데 업체에서는 2000시간도 너무 긴 시간이라고 주장하고 있기도 하다. 그러나 국제규격이라 할 수 있는 IEC의 표준화된 조명의 성능기준은 1000시간 에이징에 5000시간을 더하여 6000시간으로 광속유지율을 보겠다고 하고 있다.

미국의 경우에는 “에너지스타인증기준”이 있는데 광속유지율과 관련해서는“LM80”, 달리 표현하면 IES LM-80-08기준이 있다. LM80 표준은, 미국 환경보호청(EPA)에서 주관하는‘에너지스타(Energy Star)’프로그램의 LED PKG 신뢰성 평가 기준으로, 전체 6000시간의 신뢰성 테스트를 수행해 광량이 저하되는 정도를 수치화하는 방법으로 진행되는 LED PKG 단품 수명 예측 신뢰성 시험이다.

구체적인 내용은 아래 표 3과 같다.

본 발명에서 “고신뢰성”이라 함은 미국의 “에너지스타인증기준” 수명 25000시간을 인정 받는 기준을 목표로 하고 있다. 물론 현재 한국에서는 이보다 훨씬 낮은 기준을 적용하고 있으나 멀지 않은 시간 내에 한국에서도 미국의 엄격한 품질 기준을 따라 갈 것으로 보기 때문이다. 그러나 현시점에 4000시간에 90% 수준이면 충분히 고신뢰성이라 할 수 있다.

따라서 본 발명에서 “고신뢰성”이라는 의미는 적어도 4000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것으로 정의되고, 바람직하기는 5000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것이고, 가장 바람직하기는 6000시간에서 광속유지율이 91.8% 이상인 것이다.

통상적으로 LED 제품의 사양서에 신뢰성 시험 조건 및 그에 따른 합격, 불합격 기준을 제공한다. 여기에서는 가혹한 조건으로 가속시험을 하는 조건으로 경험 및 실험적으로 온도에 있어서는 상온, 고온, 고온고습으로 각각 상온은 25C, 고온은 70C, 85C, 고온고습으로는 60C/90%, 60C/95%, 85C/85% 등이 있으며, 이들 중 상온, 고온, 고온고습의 조건을 선택한다. 그리고, 이러한 환경 조건에 대해 동작을 시키는 경우와 시키지 않는 저장조건이 있다. 여기서 주로 가혹한 것은 동작을 시키는 경우이다. 따라서, 주요한 수명 시험 조건은 상온동작, 고온동작, 고온고습동작 조건이 주로 채택된다.

그런데, 동작시험조건에서 외부 온도와 습도는 다르더라도 보증해 주는 실제적인 온도는 반도체 칩의 온도를 기준으로 하면 일정하게 된다. 따라서, 반도체 칩의 온도 중에서 가장 높은 온도인 접합온도의 최고값을 보증온도로 설정하며, 이 온도가 되도록 방열 상태에 따라서 외부온도에 따라 보증 전류를 인가하여 시험하게 된다. 일반적으로 상온에서 고온으로 온도가 올라갈수록 보증하는 전류는 감소하게 된다.

이와 같은 가속시험 조건에서 수십년간 축적된 반도체에서의 실험과 경험치로부터 통상적으로 1000시간에 70%의 광속이나 광출력이 유지되면, 방열을 통해 일반적인 조명기기에서 이보다는 낮은 온도를 유지하게 되면 높은 수명을 보증할 수 있게 설계가 가능하다. LED의 수명은 반도체에서 가장 높은 온도인 PN 접합에서의 온도인 접합온도에 아레니우스의 화학식에 따른 지수함수의 형태로 반비례한다. 또한, 전류에 대해서는 전류인가가 많을수록 온도가 올라가는 것과 반도체나 기타 전도물질의 electromigration(전자에 의한 물질의 이동)의 두가지 현상에 기인하여 수명이 단축되는 현상으로 보통 전류의 세제곱에 따른 다항식의 형태로 반비례한다.

따라서, 제품의 사양서에 신뢰성에 대한 내용을 포함하는 경우에는 이러한 내용을 토대로 보증하는 최소한의 수명이 어느 정도인지를 1000시간을 기준으로 나타내고 있다. 그러나, 실제로 요구되는 인증 보증 조건은 좀 더 높은 수명을 요구하고 있는 것으로 판단된다.

상기의 여러 가지 기술적 내용들을 검토하고서 본 발명이 추구하는 최종적인 개념을 “①수지저장벽 및 리드프레임의 절연부를 합성수지의 일종인 LCP로 하여 사출성형을 통해 제작이 가능하게 하고, ②실리콘 봉지제를 디스펜스방식으로 형성하여 제품생산의 자동화가 가능하게 하며, 그러면서도 ③LED소모전력 기준 200mA/600mW 이상, 바람직하게는 1W 이상의 전력사용이 가능한 고출력으로 하되, ④적어도 4000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것으로 정의되고, 바람직하기는 5000시간에 90% 이상의 광속유지율을 나타내는 것이고, 가장 바람직하기는 6000시간에서 광속유지율이 91.8% 이상인 것을 특징으로 하는“고신뢰성고출력LED패키지”를 발명하는 것으로 확정하였다.

이러한 기술적 개념을 창작하는 일은 이 특허 출원시점에서 당업자 입장에서 보면 참으로 어이없고 실현될 것 같지 않은 개념이었다. 왜냐하면 고출력LED제품은 당시로서는 세라믹을 리드프레임으로 하는 경우에도 상기의 개념들이 결합된 기술적 개념은 존재하지 않았기 때문이다.

수많은 시행착오와 상당한 시간이 소모된 이후 첫 번째 결론은 고출력에서 나오는 빛들 중 당시의 LED패키지처럼 많은 비율의 빛이 열로 전환하게 해서는 결코 목적하는 LED패키지를 만들 수는 없다는 것이었다. 그래서 열발생을 최소화할 수 있는 방법을 찾기로 하였다. 만일 1 W 이상의 고출력을 사용한다고 해도 열발생을 획기적으로 줄일 수 있다면 세라믹이 아닌 LCP를 수지방어벽으로 사용할 수도 있을 것으로 보았기 때문이었다.

그래서 마침내 발명한 혁신적 개념이 수지저장벽의 높이를 현저히 낮추어 LED칩에서 방사되는 빛을 거의 수지저장벽에는 닿지 않도록 한다는 개념이었다.

그러나 본 발명의 또 하나 어려운 측면은 종래 도 4 혹은 도 5와 같은 LED패키지의 기술적 개념으로는 아무리 이러한 개념을 도입했다고 해도 성립하지 않는다는 점이다. 봉지재로 충전해 놓은 상단이 평면이기 때문에 상당량의 빛이 전반사되어 수지저장벽의 높이를 현저히 낮추어도 LED칩에서 방사되는 빛을 거의 수지저장벽에는 닿지 않게 하겠다는 개념은 달성이 불가능하다. 따라서 수지저장벽 안에 충전된 봉지재의 상단을 어떤 형태로 변화시키던 LED칩에서 방사되는 빛을 다시 봉지재 내부로 반사시키는 일이 없도록 해야한다는 개념을 동시에 달성해야 가능하다는 결론에 이르게 되었다. 거기에 더하여 또 그러한 봉지재의 충전이 디스펜스방식에 의해 이루어져야한다는 면을 동시에 달성하여야 했다.

먼저 LED칩에서 방사되는 빛이 수지저장벽 내에 충전된 봉지재의 상부표면에 의해 반사가 거의 되지 않는다고 가정하고는 수지저장벽을 낮추면 실제 LED칩에서 방사되는 빛을 거의 수지저장벽에는 닿지 않도록 한다는 개념이 성립하는지, 성립한다면 그 정도는 어느 정도인지를 개념적으로 창작해야 했다.

이와 관련하여 다음과 같이 오랜 연구 끝에 그 개념을 정리하였다.

먼저 LED 칩의 방사패턴이 어떠한지 정리해 보았다. 대체로 아래와 같이 표현될 수 있다.

[그림 1]

LED 방사패턴

z 방향으로 방사되는 빛은, 방위각 Ø에 대해서는 일정하고, 전면(θ=0)에서의 광도는 Iv인 경우 θ가 증가하면서 코사인(cos) 함수의 지수함수로 근사하여 표현될 수 있다. 여기에서

인 경우 람베르시안(Lambertian) 형태라고 하며 이를 극좌표 그래프로 나타내면 다음과 같다.

[그림 2]

방사패턴의

다음으로 위 내용을 바탕으로 LED 리드프레임 수지저장벽 높이를 반사율을 고려하여 정리하면 다음과 같다.

[그림 3]

리드프레임 수지저장벽과 방사패턴 함수의 정의

따라서 다음과 같은 광량 함수를 정의할 수 있다.

위 공식에 따르면 수지저장벽에 부딪치지 않고 직접 방사되는 탈출광

는

이다. 수지저장벽에 부딪혀 그 반사율에 영향을 받는 반사광

은

이다. 위 반사광은

은 수지저장벽이 반사율이 낮은 재료이거나 변색이 발생하면 손실을 일으키는 빛이다.

만일에 수지저장벽의 반사율이 95%에서 80%로 낮은 재료를 사용하게 되면 두 경우 수지저장벽의 크기를 칩의 중심점에서 수지저장벽의 안쪽 끝단에서 아래로 수직으로 내린 점까지의 거리, 즉 수지저장부 내측환의 평균반지름 R과 수지저장벽의 높이 T에 따라 손실이 일어나는 정도가 달라진다. 그리고 시간에 따라 변색이 일어나 초기의 반사율보다 낮아져 반사율이 0~10% 수준이 되었을 때에도 손실이 달라진다.

위 공식은 본 발명의 획기적인 개념을 나타내고 있다. 그것은 다름 아닌 사용되는 수지의 반사율이 낮다고 해도 수지저장벽의 높이를 낮춤으로서 빛 손실을 획기적으로 줄일 수 있고 그에 따라 열 발생 자체를 종래 LED패키지와는 비교도 되지 않는 정도로 낮출 수 있다는 것이다. 이로부터 본 발명은 드디어 새로운 개념의 구성요소를 형성하게 되었다.

그리고 25000시간이라는 장시간에 걸친 고신뢰성이라는 목표도 추진할 근거가 생겼다. 왜냐하면 그 정도의 시간이 소요될 경우 수지 저장벽의 표면이 탄화나 황변 등으로 인해 수지저장벽의 반사율이 거의 0에 가까운 상황까지 도달할 가능성 있는데, 이 경우도 고려하여 다각도로 실험할 수 있었기 때문이었다.

따라서 최악의 경우를 가정하여 수지저장벽의 반사율이 0이라고 할 때 수지저장벽의 높이 T와 반지름 크기 R에 따라 발생하는 손실 또는 탈출광의 비율을 계산해 보았는데 그 내용은 다음과 같다. 탈출광 전체광에 대한

의 비율이 A%(예 : 95%)가 되도록 하기 위해서는 수지저장벽의 높이 T는 수지저장벽의 반지름 크기 R이 일정할 때 어느 값 이하로 작아져야 한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

구체적으로 식으로 표현하면 다음과 같다.

이 경우 오른쪽 끝의 위 적분식과 아래 부등호 사이의 식을 풀어서

를 구할 수 있다. 이 때에는 수치해석적인 방법을 사용하면 된다.

만일 예시로 방사패턴이 람베르시안(Lambertian)으로

인 경우

로 나타내어지며 이 때에는 다음과 같이 해석적인 방법으로 풀어진다.

이것을 다시 정리하면 다음과 같고, 탈출각

를 풀면 다음과 같다.

수지저장벽의 높이 T와 수지저장벽의 반지름 크기 R의 비율에 대해서 풀면 다음과 같다.

.

이를 그래프로 나타내면 다음과 같다.

[그림 4]

탈출광 목표치 비율에 따른 요구되는 수지저장벽 높이와 크기의 최대 비

[그림 5]

탈출광 목표이에 비율에 따른 탈출각의 최대치

만일 R=1.5mm인 경우 각 경우를 다음의 표 4에 나타내었다.

결론적으로 위와 같은 방법으로 설계가 되면, 수지저장벽이 빛을 모두 흡수할 정도로 변색이 되더라도 탈출광의 목표 비율을 달성할 수 있다는 결론에 이르게 된다.

1) 위와 같은 방법은

를 만족하도록

나

을 설정하여 주는 방법이며, 방사패턴이 람베르시안일 경우에는

,

을 만족하는 경우이다.

2) 구체적으로 수지저장벽 변화에 대한 목표치 A를 90% 이상으로 설정하는 경우, 다만 수지저장벽 안에 충전된 봉지재의 상단을 어떤 형태로 변화시키던 LED칩에서 방사되는 빛을 다시 봉지재 내부로 반사시키는 일이 없도록 해야한다는 개념을 동시에 달성했다고 가정할 경우 이론적으로는 수지저장벽의 반사율이 0 이라 할지라도 R이 1.5mm일 경우 수지저장벽의 높이를 0.5mm이하로만 하면 가능한 것으로 계산되었다. 이 때 T/R의 비율은 0.333으로 1/3 이하로 하면 된다.

이상과 같은 개념을 가지고 실제로 실험을 해보면

에서 A가 90% 이상이면 상대적으로 신뢰성이 다소 낮은 저급한 제품의 경우 생산이 가능한 것으로 나타났다. 하지만 고신뢰성의 제품이 되려면 A가 95% 이상 되어야 바람직한 것으로 나타났고 가장 바람직한 경우는 A가 96 ~ 98% 범위로 나타났다.

상기 수지저장벽은 바닥면이 원칙적으로 원형으로 생각하고 모든 이론들이 진행되었다. 실제 대부분의 LED패키지는 원형으로 되어 있는 것이 일반적이다. 그러나 완전히 원형이란 세상에 없다. 따라서 이론적으로 적용함에 있어서 원이 아니라 예를 들어 약간의 사각형 형상을 가지고 있다고 할지라도 큰 문제는 없다 왜냐하면 R은 평균반지름의 개념을 활용하여 계산 후 적용하면 되기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 어느 정도 원의 개념이 살아 있는 한 R을 평균반지름이라는 용어를 사용하여 적용할 수 있고 그렇게 정의 된다고 봐야 한다.

R을 평균반지름으로 정의할 경우에는 다음과 같이 정의 한다.

여기에서 p은 중심인 z축에서 수지저장벽 내부벽까지의 거리이며,

의 함수이다.

평균 반지름 R의 정의에 대해 설명하면 다음과 같다.

[그림 6]

일반적인 다각형(여기서는 사각형)에서 평균반지름의 정의의 설명을 위한 기호표시

그림과 같이 중심(또는 무게 중심)으로부터 테두리를 잇는 선을 그어 그 길이들을 합하여 나누어진 개수로 나눈 것을 평균 반지름으로 정의한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

여기에서,

N은 위와 같이 정의하여 그어진 선의 개수이고,

(단,

)는 그어진 선의 길이이며,

j는 x축의 양의 방향에서 y축의 양의 방향의 순서대로 그어진 선에 붙여진 일련번호이다.

그런데,

는 중심으로부터 테두리까지의 거리를 반지름의 함수

로 나타내었을 때 방위각

일 때의 반지름 값으로 다음과 같이 나타내어진다.

.

[그림 7]

부채꼴에서 원주각

와 테두리 dl, 반지름 r과의 관계 설명을 위한 기호 표시

또한, 위 그림과 같이 분할하여 나타내는 각각의 반지름의 개수 N의 값을 점점 크게 해 주면, 방위각

에서 작은 방위각

로 형성되는 부채꼴은 반지름 r, 미세 원주 크기 dl에 대해서

와 같이 되므로 반지름은 다음과 같이 나타내어진다.

.

따라서, 평균반지름 R은 다음과 같이 나타내어진다.

이를 테두리의 길이 l로 나타내면

일 때

,

일 때

이므로 다음과 같이 나타내어진다.

즉, 위에서 정의된 평균반지름 R은 테두리의 길이 L를 한바퀴 돌아간 방위각

로 나눈값과 같다.

이와 같은 정의를 확장하여 만일 수지저장벽의 z 방향 높이 T에 따라 테이퍼가 방위각뿐만이 아니라 높이에 따라서도 달라지게 되면, 이에 대한 평균을 취하여 다음과 같이 정의한다.

.

여기에서 p은 중심인 z축에서 수지저장벽 내부벽까지의 거리이며,

의 함수이다.

그리고 수지저장벽의 경우에도 10% 미만의 빛만 비쳐진다고 하면 그 정도의 빛의 양에 견딜 수 있는 합성수지가 무엇인지를 살펴 사용하기만 하면 된다는 희망을 가질 수 있었다. 그래서 찾아낸 합성수지가 LCP이다. LCP는 반사율은 기존의 PPA(S사 WH118), PA9T(1)(K사 TA112), PA9T(2)(K사 TA113) 등의 합성수지에 비해 현저히 낮아 지금까지의 LED패키지에서는 많은 문제점을 발생시켜 적절하지 않다고 인정된 소재이지만 본 발명의 수지저장벽의 높이가 낮은 LED패키지는 원천적으로 수지저장벽에 부딪히는 빛의 양을 현저히 줄여버리므로 70% 대의 반사율은 별 문제가 되지 않고 오히려 LCP의 양호한 내열성만이 큰 장점으로 부각되게 되었다.

따라서 본 발명에서 LCP의 선택은 여러 가지 중 단순히 한번쯤 시도해 보는 측면이 아니라 새로운 개념의 LED패키지를 창작함으로써 거의 쓸모없던 소재가 필연적으로 최적의 소재로 변화된 것으로 보아야 할 것이다.

위에서 언급한 수지저장벽의 높이와 관련한 새로운 구성요소와 함께 반드시 도입해야할 또 하나의 새로운 구성요소는 칩에서 방사되는 빛이 다시 봉지재 내부로 반사되는 량이 최소화되도록 수지저장벽 내에 형성되는 봉지재의 상단부 형상을 설계하는 것이다.

이와 관련하여 구형의 렌즈형상을 형성하는 것이 가장 좋다고 판단하였는데 이는 개념적으로 점(點)의 형태로 볼 수 있거나 상대적으로 좁은 면적을 가진 빛의 방사체, 즉 LED칩이라는 측면에 기인한다고 할 수 있다. 이론적으로 빛의 방사체가 완전한 점이라고 하면 방사체에서 수직으로 닿는 봉지재 상단 표피까지의 거리(y)를 반지름으로 하는 반구형이 가장 이상적인 형태라 할 수 있다. 왜냐하면 그렇게 될 경우 방사체에서 방사되는 빛이 방사되어 모든 방향으로 봉지재의 표면과 직교하여 바같쪽으로 나가므로 빛이 반사되어 봉지재 안으로 반사되어 되돌아 올 확률은 거의 없기 때문이다.

본 발명에서도 이와 같은 개념을 적용하는 것을 또 하나의 특징적 구성요소로 하고 있다.

그러나 실제로는 방사체가 일정한 면적을 가지는 것이 일반적이므로 완전한 반구보다는 방사체에서 수직으로 닿는 봉지재의 하단에서 상단 표피까지의 거리(y)가 방사체에서 수지저장벽의 상단에 닿은 봉지재 표면의 끝단까지의 거리(x)보다는 다소 작은 것이 바람직한 것으로 실험되었다.

다시 말하면 본 발명의 목적을 달성하기 위해 0.5 < 2y/x < 1.3 정도이면 되는 것으로 나타났다. 그러나 1.3 이상이라고 하여도 그 이상의 높이가 다소 불필요하다고 판단될 뿐 반사된 빛이 수지저장벽에까지 부딪히는 경우가 많지 않으므로 별 지장이 없는 것으로 나타났다. 더욱이 본 요소는 위 범위에만 들어오면 그리 차이가 큰 것은 아니어서 영향이 크게는 없는 것으로 나타났다. 그러나 어쨌든 바람직하게는 0.7 < 2y/x < 1.15, 가장 바람직하게는 0.8 < 2y/x < 1.05로 나타났다.

이상의 반구형 렌즈는 보는 사람에 따라 달리 표현할 수 있을 것이다. 하지만 본 발명에서는 이들을 총괄하여 “원칙적으로 반구형”이라는 표현으로 정의한다.

본 발명의 또 하나의 핵심적인 구성요소가 있다.

그것은 바로 이러한 수지저장벽 상(上)에 봉지재를 반구형태의 렌즈로 만드는 방식으로 디스펜스 방식을 채택했다는 것이다. 이 부분도 수많은 시행착오와 실험을 한 후에도 영감을 얻어 겨우 해결 했던 본 발명의 자랑스러운 특징적인 필수 기술구성요소였다. 처음에는 당연히 렌즈를 성형 후 이를 부착하는 방식을 생각했다. 하지만 이는 너무도 많은 문제를 가지고 있었다. 첫째는 제작공정이 복잡해 질 수밖에 없다는 점, 둘째 접착을 한다는 것 자체에서 비롯되는 불량품이 양산되는 측면, 셋째 제품 생산의 자동화를 추진하기 어렵다는 점, 이외에도 접착제와 성형렌즈와의 물성 차이에서 비롯되는 여러 가지 점 등을 들 수 있다.

이러한 문제의식으로부터 본 발명이 획기적으로 채택한 새로운 구성요소라 할 수 있는 낮아진 “수지저장벽 상단에 실리콘의 점도를 조정하고 표면장력을 이용하여 디스펜스 방식으로 반구를 형성”한다는 개념이 탄생하였다. 이는 어쩌면 처음부터 너무도 혁신적인 목표설정을 하였으나 발명자의 많은 시간과 비용의 투입, 그에 더하여 발명자의 영감을 결집한 결과라 할 수 있다.

이는 이론적으로 앞서 계산한 수지저장벽을 낮추는 효과를 실질적으로 가능하게 해주는 것으로 “수지저장벽 상단에 실리콘의 점도를 조정하고 표면장력을 이용하여 디스펜스 방식으로 반구를 형성”하는 개념이 도입되지 않았다면 본 발명이 진정으로 추구하는 효과로서 창작된 기술적 사상이라 할 수 있는 “LCP를 수지저장벽으로 하여 실리콘 봉지제를 디스펜스방식으로 형성하면서 고신뢰성 고출력 LED패키지”는 구현될 수 없었을 것이다.

봉지재를 반구형 렌즈형태로 디스펜스방식에 의해 형성하기 위해서는 무엇보다도 “표면장력과 적절한 점도를 이용”하여 그렇게 해야겠다는 착상을 하는 것이 가장 어렵다고 할 수 있다.

표면장력이란 분자력에 의하여 액체가 수축하여 표면적으로 될 수 있는 한 작게 하려는 성질을 말한다. 분자력은 분자상호간에 작용하는 인력을 말하는 것으로 응집력과 부착력으로 나눌 수 있다. 여기서 응집력은 같은 종류의 분자끼리 작용하는 분자력을 말하는 것이고 부착력은 다른 종류의 분자끼리 작용하는 분자력이다. 만일 부착력이 응집력보다 크면 액체는 고체면을 퍼지면서 적시게 되고, 응집력이 부착면보다 크면 물방울과 같은 곡면을 형성하게 된다.

따라서 LED패키지의 봉지재를 형성하기 위해 표면장력을 이용함에 있어서 유의해야할 사항은 반구모양 형성에 너무 집착하여 응집력이 높은 쪽으로만 재질을 선택한다면 부착력이 너무 약해 봉지재와 수지저장벽이 쉽게 분리되어 신뢰성이 약화되는 원인이 될 수도 있다는 점이다. 이를 위해 수지저장벽의 구조를 상대적으로 낮은 응집력을 가지고도 디스펜스 방식으로 반구형의 렌즈를 만들 수 있도록 설계하는 것이 중요하다. 이런 수지저장벽을 설계함에 있어서 유의할 점이 있는데, 첫째는 봉지재가 자동화 공정 하에서 약간의 오차가 있더라도 수지저장벽 바깥으로까지 흘러나가는 현상을 최소화할 수 있도록 설계되어야 한다는 점이고, 둘째는 이에 더하여 수지저장벽과 봉지재가 접착된 부분이 가장 유리되기 쉬우므로 이를 방어할 수 있거나 접착력을 향상시킬 수 있는 구조로 만드는 것도 중요하다.

본 발명에서도 수지저장벽의 구조와 봉지재의 종류 및 점도를 최적화하기 위해 최선을 다하였다. 통상 봉지재는 LED패키지를 만들기 위해 사용되는 수지들이 사용된다. 이 경우 점도가 20Pa.s 내외이면 디스펜스방식에 의한 반구형 수지렌즈부의 형성이 가능했다. 본 발명에 사용된 투명몰드수지는 20~30Pa.s의 재료들을 주로 사용하였다. 이는 실시예의 하나에 불과한 것으로서 수지의 종류, 제작환경 특히 주변온도 등에 따라 응집력에 차이가 있을 뿐만 아니라 수지저장벽의 구조와 제작시간에 따라서도 안정적인 수지렌즈부의 가능여부가 달라지게 된다. 예를 들면 제작환경의 온도가 높으면 응집력이 급격히 떨어지게 되므로 동일한 표면장력을 나타내려고 해도 통상의 경우보다 높은 점도를 필요로 할 수 있다.

그러므로 당업자라면 당연히 위에서 언급한 구체적인 기술적 개념을 염두에 두고 필요에 따라 다양하게 적용할 수 있을 것이다.

본 발명에서는 도6 내지 도8에 본 발명의 창작된 기술적 개념을 적용한 다양한 실시예들을 기재해 놓았다.

본 발명에서는 수지렌즈부의 유무에 따른 특성을 비교하기 위하여 LED패기지(1)는 5.6mm x 3.0mm 리드프레임과 LED패키지(2)는 3.5mm x 3.5 mm 리드프레임를 사용하여 동일한 특성으로 소팅(sorting)된 청색 LED 칩을 실장하여 제작 후 특성을 측정하여 보았다. LED패키지의 단면 형상을 그림으로 표현하면 다음과 같다.

[그림 8]

봉지재 형성 구조에 따른 LED 패키지의 종류

이 때에 아래에 편평이라고 표기된 투명수지로 편평하게 몰딩된 LED패키지(1)의 광출력 특성과 본 발명의 방식에 의해 제조된 수지렌즈부를 가진 LED패키지(2)의 광출력 특성을 측정해 보았는데 그 결과는 아래와 같다. 수지렌즈부의 렌즈는 거의 완전한 반구형에 가깝게 형성되어 상기 LED패키지의 수지 저면의 지름이 3.0mm 였는데 반구의 높이는 약 1.5mm 였었다. 수지저장벽의 높이는 편평LED패키지(1)의 경우 0.8mm이고 반구형 수지렌즈부를 가진 LED패키지(1)의 경우는 상기 수지저장부 내측벽의 높이가 상기 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)의 적어도 1/2 이내라야 하고 바람직하기로는 1/3 이하였다. 이 때 수지렌즈부가 있는 LED패키지의 광출력은 편평 LED패키지에 비해 28%가 더 높음을 알 수 있었다.

[그림 9]

봉지재 형성 구조에 따른 광출력 성능 비교

본 발명의 또 다른 창작된 요소는 수지저장벽의 구조이다.

도 5에서 나타난 바와 같이 수지저장벽을 이중으로 형성하고 이중으로 형성된 외곽 벽을 안쪽 벽보다 더 높게 하고 양 벽 사이에 일정 간격의 골을 형성한다는 점이다. 아울러 안쪽 벽의 상단을 일정한 면적을 가진 환형태로 형성하게 된다.

이로 인해 첫째 표면장력을 이용한 디스펜스방식의 실리콘렌즈를 형성할 경우 혹시 넘칠 수 있는 실리콘수지를 그 골에 담게 하여 실리콘수지가 패키지 바깥으로 넘치지 않도록 할 수 있다. 다음으로 중요한 부분으로 외벽이 바깥으로부터 들이칠 수 있는 자극이 직접적으로 안쪽 벽의 상단에 붙어 있는 실리콘수지와의 접착면 가까이 가해지지 않도록 할 수 있다. 이는 실제적으로 고신뢰성고출력LED패키지의 형상의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

끝으로 안쪽 벽 상단에 부여된 일정한 면적은 실리콘수지가 그 상단의 면을 모두 덮은 상태에서 표면장력을 이용하여 반구가 형성되므로 표면장력을 제대로 이용할 수 있다는 측면에서 중요하다.

물론 본 발명에 있어서 상기 실리콘 수지는 봉지재 수지로 사용되는 하나의 예시로서 실제 사용가능한 모든 수지에 마찬가지 개념으로 적용 가능하다면 당연히 포함된다고 할 수 있다.

또한 안쪽 벽 상단 면을 형성한 부위에 표면장력 및 접착력을 향상하기 위한 다양한 문양이나 형태를 고려할 수 있다. 그렇다고 하여 일정한 폭을 형성하고 있는 한 표면장력을 형성하기 위한 면을 가진다는 개념과 다르다는 주장은 그 개념을 배제하고 있다고 인정할 만한 특별한 이유가 있지 않는 한 적절하지 않을 것이다. 이러한 개념들 중 일부를 도 6과 도 7에 도시해 놓았다.

본 발명의 또 다른 요소는 수지저장벽 안쪽에 일단계로 비교적 점도가 낮은 실리콘수지 등(내부에 형광체 등을 넣어서 그 기능을 달리 할 수 있다)을 먼저 채워 넣고 이후 표면장력을 이용한 반구형의 실리콘렌즈를 형성할 수 있다는 점이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

LED는 리드프레임, 칩, 봉지재의 주요 부위로 이루어져 있다. 본 발명은 리드프레임과 봉지재의 형상 및 구조와 제조공정 기술분야에 관련된 것이다. 본 발명에 사용된 리드프레임에 대한 구체적인 실시예는 다음과 같다. 본 발명의 리드프레임은 엔지니어링 플라스틱을 절연물로 하는 일반적인 리드프레임 설계, 제조 공정과 동일하다. 리드프레임 공정 순서는 크게 입고검사, 스탬핑, 도금, 사출, 검사, 포장, 출하검사와 같다.

스탬핑은 리드프레임을 만드는 원자재 기판에 천공(구멍 뚫기), 절단, 절곡하는 공정이다. 도금은 주로 반사율이 높은 은을 전기분해적인 방법으로 박막을 형성하는 공정이다. 사출은 나중에 LED 공정을 한 후 개별화 시에 분리된 (+), (-) 단자를 붙잡아 주고, 봉지재를 담아 LED의 형상을 만들어 주는 고내열수지를 금형으로 사출성형하여 찍어내는 공정이다.

구체적인 스탬핑공정은 다음과 같다. 먼저 설계도에 맞추어 특수강으로 만든 스탬핑 금형으로 0.1~0.4um 두께의 롤로 말려있는 구리판을 일정 간격으로 풀어서 지그의 일정한 위치에 위치 시켜 구멍을 뚫거나 잘라내거나 구부려 준다. 이 때 구조적인 특성은 (+)전기와 (-)전기를 인가하기 위해 적어도 두 개의 금속편을 형성하기 위한 구조가 있어야 한다. 이렇게 스탬핑된 구리 기판을 다시 롤에 감아 준다. 세척을 한 후에 반사율을 높이기 위하여 은도금을 한다. 이후에 설계된 내부 및 외부 구조의 금형으로 앞에서 스탬핑 후 은도금된 구리판에 접촉을 시키고 엔지니어링 플라스틱 중에서 내열성이 좋은 고내열수지를 녹여 금형에 형성된 런너를 통하여 흘려 보낸 후 구리판 근처에서 냉각하여 수지를 성형한다. 내열수지의 종류에 따라 수지에 흡착된 수분이나 불순물을 제거하기 위하여 일정 시간, 최적 온도로 가열하여 주며, 이후 주(main) 런너를 통하여 흘러서 리드프레임 배열 주위로 흘러들어가게 되는데, 각 부위의 온도와 압력을 조절하여 최적화 하는 과정이 필요하다. 본 발명에 사용된 고내열 수지는 기존의 수지들보다는 흐름성이 좋고 빨리 냉각되는 특성이 있어서 각 부위의 온도와 압력 조절 및 금형의 각 부위의 모양을 시행착오를 통해 맞추어 주는 것이 필요하였다. 이렇게 하여 LED 리드프레임 배열이 완성된다.

본 발명의 리드프레임은 고내열 수지로 형성된 수지저장벽의 꼭대기 부분을 이중으로 형성하고 그 사이에 골을 형성한다. 이렇게 형성된 이중벽 중에 내부벽의 바깥쪽에서 표면장력에 의하여 LED 제조 공정 시에 투명 몰드 수지를 부어주면 투명 몰드 수지나 형광체 혼합물의 점도에 따라 몰드가 흘러내리지 않고 반구형 렌즈를 형성할 수 있다.

LED는 위와 같이 완성된 리드프레임과 칩, 금속선, 봉지재 등의 최적화된 원자재를 확보한 후 조립하여 완성된다. LED 공정순서는 크게 입고검사, 다이본딩, 와이어본딩, 디스펜싱, 개별화(트림), 테스트/소팅, 테이핑, 출고검사와 같다.

다이본딩은 배열된 리드프레임 수지저장벽 내부 금속 바닥의 일정한 위치에 칩을 부착하는 공정이다. 먼저 다이페이스트를 일정량 내부 금속 바닥에 찍어 붙이고, 그 위에 칩을 안착시킨다. 전체 배열에 모두 칩을 안착시킨 후 일정량을 모아서 오븐에 넣어 굳혀준다. 굳혀주는 온도는 페이스트의 종류별로 다양하나 일반적으로 160도에 4시간 정도이다.

와이어본딩은 리드프레임에 안착된 칩의 위에 형성되어 있는 본딩패드에 금속선을 압력, 초음파 등의 에너지를 주어 용접하여 부착한 후 연결하여 리드프레임의 금속바닥에 마찬가지 방법으로 용접하여 붙인 후 끊어내는 과정을 거쳐 (+) 전극과 (-) 전극을 형성하여 주는 공정이다. 이 때 금속선을 유도하는 캐필러리(capillary)가 공정 시에 금속볼 형성, 용접 및 끊어내는 매우 중요한 역할을 한다. 또한, 이 때에 다이페이스트에 의해 붙어있는 칩의 안착 상태에 따라서 와이어본딩 용접의 정도가 영향을 많이 받는다. 따라서, 다이페이스트의 경도를 잘 선택해야 하며, 도포가 균일하여 일정한 두께로 형성되도록 공정을 최적화 해야 한다.

디스펜싱 공정은 투명 봉지재 또는 형광체와 혼합된 투명 봉지재를 리드프레임의 수지저장벽 내부에 부어주는 공정이다. 부어준다는 표현을 하였으나 실제로 사용하는 봉지재의 점도가 높아 일정량 방울을 형성한 후 칩 및 리드프레임에 붙인 후 떼어내게 된다. 리드프레임의 모든 배열에 디스펜싱 후 일정량이 모이게 되면 오븐에 넣어 굳혀준다. 이 경우도 봉지재로 주로 사용하는 실리콘(silicone) 수지 종류에 따라 차이가 있을 수 있으나 일반적으로 160도에 4시간 정도의 조건에서 굳혀준다. 일반적인 경우는 봉지재를 수지저장벽의 내부에 편평하거나 안쪽으로 오목하게 형성하여 준다. 그 이유는 수지저장벽에 담을 수 있는 양보다 많은 양을 넣으면 넘치게 되기 때문이다. 그러나, 본 발명의 LED는 이를 해결하기 위해 수지저장벽의 꼭대기에서 봉지재에 표면장력이 형성되어 넘치지 않도록 봉지재의 형상에 맞추어 봉지재와 고내열수지의 만나서 형성되는 외부 경계면이 평행하게 되도록 형상을 만들어 주었다. 이때 봉지재의 점도에 따라서 볼록하게 형성할 수 있는 높이가 다르게 된다.

또한, 봉지재를 형성하는 방법은 크게 두가지가 있는데, 하나는 수지저장벽의 내부에 먼저 형광체와 투명봉지재를 섞어 편평하게 디스펜싱하여 굳혀준 후 다시 그 위에 점도가 높은 투명봉지재만으로 반구형으로 볼록한 렌즈형태로 디스펜싱하여 굳혀주어 형성하는 방법이고, 다른 하나는 2차의 투명봉지재 반구형 볼록렌즈 공정을 제거하고 봉지재와 형광체를 섞은 것으로 볼록한 형태로 디스펜싱하여 주는 공정이다. 본 발명에서는 두가지 모두 제작하였으며, 두 번의 디스펜싱에 의하여 만들어진 렌즈형과 한번의 디스펜싱에 의하여 만들어진 볼록형의 경우 현재까지 확보하여 구현한 최대 높이는 렌즈형의 경우 리드프레임의 높이를 제외하고 수지저장벽의 평균 반지름의 크기가 1.5mm인 경우 1.55mm, 볼록형의 경우 1.25mm 수준이었다.

실제로 봉지재를 디스펜싱할 때 공정제어는 단일봉지재 또는 형광체혼합봉지재의 무게를 제어하여 하게 된다. 많이 사용되는 실리콘 봉지재의 밀도는 1보다 약간 크며, 형광체의 밀도는 2~5 사이이기 때문에 형광체혼합비가 클 때에는 무게로만 제어 시 밀도를 1 근처로 환산하여 계산한 부피와 많은 차이가 발생하기 때문에 이를 고려하여야 하므로 주의를 필요로 한다. 통상적으로 본 발명에 사용한 공정 조건은 리드프레임의 수지저장벽의 내부 평균반지름이 1.5mm로 편평한 수준으로 형성할 때에는 약 2.5mg, 0.7mm의 봉지재 높이를 형성할 때에는 3.5mg, 1.2mm 높이를 형성할 때에는 6.5mg, 1.6mm 높이를 형성할 때에는 9~11mg 수준을 사용하였다.

이렇게 만들어진 LED는 개별화 한후 외관 불량품을 육안이나 비젼시스템으로 걸러내고 테스트/소팅 장비에서 측정하여 사용전류를 인가하여 전압, 광속(또는 광도), 색좌표(또는 파장) 등으로 사용자들이 원하는 성능으로 분류한 뒤 릴포켓(reel pocket)에 넣어 위 부분을 얇은 투명 필름으로 가열하여 붙여 포장하는 테이핑 공정을 통해 제품으로 완성된다.

100 LED칩
200 수지저장벽 210 렌즈방어벽
220 수지범람홈 230 저장벽내 예각
240 봉지제접합부 250 저장벽 상단
270 수지렌즈 하단 평균반경(K) 280 수지저장부 내측벽의 높이
290 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)
300 봉지재 310 형광수지부
320 수지렌즈부
400 절연부 500 전극부
700 전극연결선 800 세라믹기판
900 성형렌즈부

Claims (12)

1. LED패키지에 있어서,
   LED칩;
   상기 LED칩이 탑재되고 전극부와 절연부를 포함하는 기판;
   상기 LED칩과 상기 전극부를 연결하는 전극연결선;
   상기 기판 상에 사출성형된 합성수지로 이루어진 수지저장부 ; 및
   상기 수지저장부에 봉지재가 채워져 상기 수지저장부 상부 안쪽으로 형성된 반구형의 수지렌즈부;를 포함하되,
   상기 수지저장부 내측벽의 높이(T)가 상기 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)의 1/3 이내인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 반구형의 수지렌즈부는 디스펜스방식으로 표면장력을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 사출성형된 합성수지는 LCP(액정 폴리머: Liquid Crystal Polymer)이고, 상기 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)이 2mm 이하인 것을 특징으로하는 고신뢰성고출력LED패키지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반구형의 수지렌즈부는 상기 LED칩에서 수직으로 닿는 봉지재의 하단에서 상단 표피까지의 거리(y)와 상기 LED칩에서 수지저장벽의 상단에 닿은 봉지재 표면의 끝단까지의 거리(x)의 비 2y/x가 0.5보다 큰 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 LED칩에서 수직으로 닿는 봉지재의 하단에서 상단 표피까지의 거리(y)와 상기 LED칩에서 수지저장벽의 상단에 닿은 봉지재 표면의 끝단까지의 거리(x)의 비 2y/x가 0.5 < 2y/x < 1.3인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 LED칩에서 수직으로 닿는 봉지재의 상단 표피까지의 거리(y)와 상기 LED칩에서 수지저장벽의 상단에 닿은 봉지재 표면의 끝단까지의 거리(x)의 비 2y/x가 0.7 < 2y/x < 1.15인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
7. 제4항에 있어서, 상기 LED칩에서 수직으로 닿는 봉지재 상단 표피까지의 거리(y)와 상기 LED칩에서 수지저장벽의 상단에 닿은 봉지재 표면의 끝단까지의 거리(x)의 비 2y/x가 0.8 < 2y/x < 1.05인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지저장부 내측벽의 높이가 상기 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)의 1/4 이내인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반구형의 수지렌즈부가 상기 수지저장부에 봉지재가 2단계 이상의 디스펜스방식으로 채워져 형성된 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 2단계 이상의 디스펜스방식으로 채워진 봉지재 중 어느 한 단계 이상은 형광제를 포함하는 수지를 디스펜스하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
    
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지저장부에 채워진 봉지재가 실리콘수지인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
    
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지저장부 내측벽의 높이가 상기 수지저장부 내측환의 평균반지름(R)의 1/6 ~ 1/8인 것을 특징으로 하는 고신뢰성고출력LED패키지.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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